JP2004221084A - 二重ゲート構造を有する電界放出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二重ゲート構造を有する電界放出素子とその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板１１０と、前記基板の上に形成されるカソード層１２０と、前記カソード層１２０の上に形成されており、前記カソード層１２０の一部を露出させるキャビティ１７０を有するゲート絶縁層１３０と、前記キャビティ１７０の底部において露出する前記カソード層１２０の上に備えられる電界放出源１９０と、前記ゲート絶縁層内部１３０に設けられた第１ゲート層１４０と、前記ゲート絶縁層１３０の上に形成されており、前記キャビティ１７０に対応する部分に第２ゲートホール１６０ａが形成された第２ゲート層１６０とを備え、前記第１ゲート層１４０には、前記キャビティ１７０の直径よりも大きな直径を有する第１ゲートホール１４０ａが設けられている電界放出素子とした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、二重ゲート構造を有する電界放出素子及びその製造方法に係り、より詳細には、電界放出源エミッタと二重ゲート間の短絡を防止することができる構造を有する電界放出素子（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＦＥＤ）及びその製造方法に関する。

従来の情報伝達媒体の重要部分である表示装置には、パソコンのモニターやテレビ受像機などがある。このような表示装置は高速熱電子放出を利用する陰極線管（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ：ＣＲＴ）と、最近、急速に発展している平板表示装置（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）とに大別される。平板表示装置としては、液晶表示装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）、プラズマ表示装置（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ：ＰＤＰ）、電界放出素子（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＦＥＤ）などがある。

電界放出素子は、カソード層の上に一定間隔で配列された電界放出源にゲートから強い電界を印加することによって電界放出源から電子を放出させ、この電子をアノード層の蛍光物質に衝突させて発光させる表示装置である。
このような電界放出素子の電界放出源として、従来にはモリブデン（Ｍｏ）のような金属よりなるマイクロチップが多用されたが、近年はＣＮＴ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ：ＣＮＴ）が主に使われている。炭素ナノチューブを使用する電界放出素子は広視野角、高解像度、低電力及び温度安定性などにおいて長所を有するので、自動車航法装置（カーナビゲーションシステム）、ハンディカメラのような電子的な映像装置のビューファインダーなどの多様な分野に利用可能性がある。特に、パソコン、ＰＤＡ端末機、医療機器、ＨＤＴＶなどで代替ディスプレー装置として利用できる。

図１と図２には従来の電界放出素子の２つの構造が示されている。まず、図１に示すように、従来の電界放出素子は、基板１０と、基板１０上に順次積層されたカソード層１１、第１絶縁層１２、第１ゲート層１３、第２絶縁層１４及び第２ゲート層１５を備える。
第１及び第２絶縁層１２、１４には所定の直径を有するキャビティ（窪み）１７が形成されており、第１ゲート層１３と、第２ゲート層と１５には、このキャビティ１７に対応させて、第１ゲートホール１３ａと第２ゲートホール１５ａとがそれぞれ形成されている。
そして、キャビティ１７内に露出するカソード層１１の上には電界放出源１９が備えられている。
ここで、基板１０としては、ガラス基板が主に使われ、カソード層１１は透明な導電性物質であるＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）より構成される。そして、電界放出源１９は前述したようにＣＮＴまたは金属チップより構成される。

そして、図２に示された従来の電界放出素子は、基板２０と、基板２０上に順次積層されたカソード層２１、第１絶縁層２２、第１ゲート層２３、第２絶縁層２４及び第２ゲート層２５を備えて構成される。そして、第１絶縁層２２と第１ゲート層２３とには同じ直径を有する第１キャビティ（窪み）２７と第１ゲートホール２３ａとがそれぞれ形成され、第２絶縁層２４と第２ゲート層２５とには第１キャビティ２７の直径より大きい直径を有する第２キャビティ（窪み）２８と第２ゲートホール２５ａとがそれぞれ形成される。電界放出源２９としてＣＮＴまたは金属チップが第１キャビティ２７内部に備えられる。

図１と図２に示す二重ゲート構造を有する電界放出素子は、第２ゲート層１５、２５に印加される電圧を調節することによって電界放出源１９、２９から放出される電子ビームの拡散を防止することができる。これにより、電子ビームがアノード層の所望の位置にさらに小さなビームスポットで集束されるので、さらに鮮明な画質を得ることができる。また、前述した電界放出素子においては、アノード層との間に電気的アークが発生した場合、アノード層にさらに近い第２ゲート層１５、２５を通じて放電することができる。したがって、電気的アークが電子ビーム放出機能を果たす電界放出源１９、２９とカソード層１１、２１及び第１ゲート層１３、２３に直接影響を与えることがない。

特に、図１に示す構造を有する電界放出素子は、狭くて深いキャビティ１７とゲートホール１３ａ、１５ａを有することによって、電界放出源１９から放出される電子ビームの集束特性を高めることができ、図２に示す構造を有する電界放出素子は、広い第２キャビティ２８と第２ゲートホール２５ａとを有することによって、その製造がさらに容易になる。

ところが、図１と図２とに示された従来の電界放出素子においては、第１ゲート層１３、２３と電界放出源１９、２９間、そして第１ゲート層１３、２３と第２ゲート層１５、２５との間で電気的短絡が頻繁に発生する。
これは、比較的高い電圧が印加される第１ゲート層１３、２３が絶縁層１２、１４、２２、２４の外部に露出されており、また第１ゲート層１３、２３と電界放出源１９、２９との間や、第２ゲート１５、２５層との間の間隔が狭いためである。
このような現象が発生すると、スクリーン上でライン切れが生じるといった欠陥が発生すると共に、また、短絡により発生した過電流によって電界放出素子と駆動回路とが損傷し、これらの寿命が短くなるという問題があった。

図３は、図１に示す構造を有する従来の電界放出素子における電子ビーム放出に対するシミュレーション結果を示す図面である。このシミュレーションは、第１ゲート層１３に３０Ｖの電圧を印加し、第２ゲート層１５に１０Ｖの電圧を印加した状態で行われた。この図３において、電場の強度の強い部分であるほど、赤色で表示される。

図３を見ると、従来の電界放出素子の場合、第１ゲート層１３が絶縁層１２、１４の外部に露出されており、第１ゲート層１３の露出された部位に非常に強い電場が集中することが分かる。
このような場合には、電界放出源１９と第１ゲート層１３間に電気的短絡現象が発生しやすいという問題点がある。そして、電界放出源１９から放出された電子が第１ゲート層１３の露出された部位に非常に強く衝突してその部位が損傷され、これにより電界放出素子の安定性が低下する。

本発明は前述のような従来技術の問題点を解決するために創出されたものであって、特に、電界放出源と二重ゲート相互間の電気的短絡現象が防止できる構造を有する電界放出素子を提供することを目的とする。

また、本発明は前述した構造を有する電界放出素子の製造方法を提供するところに他の目的がある。

本発明は、基板と、前記基板の上に形成されるカソード層と、カソード層の上に形成されており、前記カソード層の一部を露出させるキャビティを有するゲート絶縁層と、前記キャビティの底部において露出する前記カソード層の上に備えられる電界放出源と、前記ゲート絶縁層内部に設けられた第１ゲート層と、前記ゲート絶縁層上に形成されており、前記キャビティに対応する部分に第２ゲートホールが形成された第２ゲート層とを備え、前記第１ゲート層には、前記キャビティの直径よりも大きな直径を有する第１ゲートホールが設けられている電界放出素子に関するものある。

ここで、前記ゲート絶縁層は、第１絶縁層と第２絶縁層とより構成されており、前記第１ゲート層は、前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に設けられていることが好ましい。

そして、前記第２ゲートホールの直径は、前記キャビティの直径よりも大きく、前記第１ゲートホールの直径と略同一であることがさらに望ましい。

一方、前記電界放出源は、導電性金属物質からなる金属チップで構成され、より好ましくは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を使用してなるものであることが良い。

また、本発明に係る電界放出素子の製造方法は、透明な基板の上に透明なカソード層を形成するａ段階と、前記透明なカソード層の上に、第１絶縁層を形成するｂ段階と、前記第１絶縁層の上に、第１ゲートホールを有する第１ゲート層を形成するｃ段階と、前記第１ゲート層と前記ゲートホールの内側で露出する前記第１絶縁層との上に、第２絶縁層を形成するｄ段階と、前記第２絶縁層の上に、前記第１ゲートホールより小さい直径の第２ゲートホールを有する第２ゲート層を形成するｅ段階と、前記第２ゲートホールの内側で露出する前記第２絶縁層と、前記第１絶縁層の前記第２ゲートホールの下側に位置する部分とをエッチングして、前記カソード層の一部を露出させるキャビティを形成するｆ段階と、前記第２ゲート層を所定形状でパターニングするｇ段階と、前記キャビティの底に露出された前記カソード層上に電界放出源を形成するｈ段階とを備える電界放出素子の製造方法である。

ここで、前記第１絶縁層と第２絶縁層とは、ペースト状の絶縁物質をスクリーン印刷技術を利用して塗布した後に、これを塑性化することによって形成される、若しくは、化学気相蒸着法によって形成されることが好ましい。
また、前記ｃ段階は、前記第１絶縁層の上に、導電性金属物質を蒸着して蒸着膜を形成する段階と、パターニング処理により、前記キャビティの直径よりも大きい直径を有する第１ゲートホールを前記蒸着膜に形成する段階とを含むことが好ましい。

そして、前記ｅ段階は、前記第２絶縁層の上に、導電性金属物質を蒸着して蒸着膜を形成する段階と、前記蒸着膜に、前記キャビティと同じ直径の第２ゲートホールを形成する段階とを含むことが好ましい。

さらに、前記ｆ段階は、前記第２ゲート層をエッチングマスクとして利用して、前記第２絶縁層と、前記第１絶縁層の前記第２ゲートホールの下側に位置する部分とをエッチングすることによって、前記第２ゲートホールと実質的に同じ直径を有する前記キャビティを形成することが好ましい。

そして、前記ｇ段階では、前記第２ゲートホールを、前記キャビティの直径よりも大きい直径に拡大することが好ましい。

￥ そして、前記ｈ段階は、前記基板の全面にフォトレジストを塗布した後、これをパターニングして前記キャビティの底面に、前記カソード層の一部を露出させる段階と、前記フォトレジストが塗布された前記基板の全面に、感光性を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ペーストを塗布する段階と、前記基板の後面側から紫外線を照射して、前記カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ペーストを選択的に露光する段階と、現像剤を使用して、前記フォトレジストと共に、前記カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ペーストのうち、露光されていない部分を除去する段階と、残存するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ペーストを塑性化して、電界放出源であるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）エミッタを形成する段階とを含むことが好ましい。

本発明に係る電界放出素子の構成によれば、第１ゲート層が絶縁層内部に配置され、キャビティの内周面に露出していないので、第１ゲート層と第２ゲート層との間、そして第１ゲート層と電界放出源との間で、電気的短絡現象が発生することを防止することができる。
したがって、短絡に起因する電界放出素子の欠陥が抑えられるので、電界放出素子の寿命を長くすることができる。

そして、本発明の製造方法によれば、前述した電界放出素子を厚膜工程または薄膜工程によって、その用途に適した状態で製造することができる。

以下、添付された図面を参照しながら本発明による二重ゲート構造を有する電界放出素子の望ましい実施例を詳細に説明する。

図４は、本発明の望ましい実施例による電界放出素子の構造を示す断面図であって、図５は、図４に示された電界放出素子の断面を撮影したＳＥＭ写真である。

図４と図５とを共に参照して、本発明に係る電界放出素子は、基板１１０と、基板１１０上に積層されたカソード層１２０、このカソード層の上に設けられたゲート絶縁層１３０と、ゲート絶縁層１３０の内部に備えられた第１ゲート層１４０と、ゲート絶縁層１３０上に形成された第２ゲート層１６０を備えて構成される。

基板１１０としては、ガラス基板が主に用いられ、カソード層１２０としては、透明な導電性物質であるＩＴＯ（インジウム−錫酸化物）を用いることができる。

そして、ゲート絶縁層１３０には、所定直径のキャビティ１７０が設けられており、その内部において、カソード層１２０の一部を露出させている。そして、このキャビティ１７０内の底部において露出するカソード層１２０上面には、電界放出源１９０が備えられる。

電界放出源１９０としては、モリブデン（Ｍｏ）のような金属より構成されるマイクロチップ用いることができるが、本実施の形態の電界放出素子の場合、広視野角、高解像度、低電力及び温度安定性などにおいて様々な長所を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を使用することが望ましい。

図４に示すように、第１ゲート層１４０は、ゲート絶縁層１３０の内部に設けられている。具体的には、第１ゲート層１４０は、ゲート絶縁層１３０は上側と下側の２つの層（第１絶縁層と、第２絶縁層）の間に挟まれた状態で配置されている。
すなわち、第１ゲート層１４０には、前述のキャビティ１７０の直径よりも大きい直径を有する第１ゲートホール１４０ａが形成されており、この第１ゲートホール１４０ａの内側には、キャビティ１７０の同じ直径の穴を形成されるように、ゲート絶縁層１３０を構成する物質が介在させられている。
よって、第１ゲート層１４０はキャビティ１７０の内周面（内側）に露出していない状態で、ゲート絶縁層１３０内に収容されている。

このように、本発明に係る電界放出素子において、第１ゲート層１４０は、これを取り囲むゲート絶縁層１３０によって、第２ゲート層１６０や電界放出源１９０と短絡されるので、確実に絶縁することができる。したがって、従来の電界放出素子において見られた、第１ゲート層１４０と第２ゲート層１６０との間、そして第１ゲート層１４０と電界放出源１９０と間に発生する可能性がある電気的短絡現象を未然に防止できるので、電気的短絡に起因する電界放出素子の欠陥が抑制されると共に、電界放出素子の寿命を長くすることができる。

第２ゲート層１６０はゲート絶縁層１３０の上に形成されており、当該第２ゲート層１６０のキャビティ１７０に対応する位置には、第２ゲートホール１６０ａが形成されている。
第２ゲートホール１６０ａの直径は、キャビティ１７０の直径と同じでもよいが、キャビティ１７０の直径よりも大きいことが望ましい。特に、第２ゲートホール１６０ａの直径は第１ゲートホール１４０ａの直径と実質的に同じであることがさらに望ましい。

ここで、第２ゲートホール１６０ａの直径が、キャビティ１７０の直径と同じ直径、若しくは第１ゲートホール１４０ａの直径より小さい場合、第２ゲート層１６０は、第１ゲート層１４０よりもキャビティ１７０の近くに位置することになる。
この場合には、第２ゲート層１６０に生じる電子ビームのフォーカシング（集束）性能が向上するが、その一方で、第１ゲート層１４０による電子ビーム放出に対する制御が困難になり、電界放出源１９０からの電子ビーム放出性能が低下するという短所がある。

逆に、第２ゲートホール１６０ａの直径が第１ゲートホール１４０ａの直径より大きい場合、第１ゲート層１４０による電子ビーム放出に対する制御はより効果的に行われるが、第２ゲート層１６０による電子ビームのフォーカシング（集束）性能は低下してしまう。

したがって、電子ビーム放出性能と電子ビームのフォーカシング性能とのバランスを取ることができるので、第２ゲートホール１６０ａの直径と第１ゲートホール１４０ａの直径とを同一にすることが最も望ましい。

図６は、図４に示された本発明に係る電界放出素子における電子ビーム放出に対するシミュレーション結果を示す図面である。このシミュレーションは、図３の場合と同じ条件で行ったものである。すなわち、第１ゲート層１４０に３０Ｖの電圧を印加し、第２ゲート層１６０に１０Ｖの電圧を印加した状態で行われた。この図６において、電場の強度が強い部分であるほど、赤色で表示される。

図６から明らかなように、本発明に係る電界放出素子では、第１ゲート層１４０が絶縁層１４０によって取り囲まれてキャビティ１７０の内部に露出されていないので、第１ゲート層１４０のキャビティ１７０側に形成される電場の強度が図３の場合よりも弱くなっていることが分かる。
さらに、第１ゲート層１４０は、絶縁層１３０によって、電界放出源１９０から放出される電子から保護されるので、第１ゲート層１４０と電界放出源１９０との間に生じる電気的短絡現象が防止できると共に、電界放出素子の安定性を向上させることが可能となる。

以下において、図７Ａないし図７Ｈを参照して本発明に係る電界放出素子の望ましい製造方法を段階的に説明する。

まず、本発明に係る電界放出素子の製造方法を概括して説明すれば、電界放出素子は厚膜工程または薄膜工程によって製造することができる。
厚膜工程は、ペースト状の絶縁物質をスクリーン印刷技術を利用して塗布することにより、後述する第１絶縁層と第２絶縁層とを肉厚に形成する工程をいう。
そして、薄膜工程は、シリコン酸化物のような絶縁物質を、化学気相蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）を利用して蒸着することにより、第１絶縁層と第２絶縁層とを薄厚で形成する工程をいう。
厚膜工程は、大面積の表示装置を容易に製造でき、量産性の確保及びコスト削減といった長所があるが、微細な電界放出素子を高集積度で製造することが難しいという短所がある。
一方、薄膜工程は、この厚膜工程の長所と短所に対して反対の長所と短所とを有している。

図７Ａは、基板１１０上にカソード層１２０を形成した状態を示した図面である。ここで、基板１１０の後面側からの露光（これについては後述する）を行うために、透明なガラス基板が、基板１１０として使用されている。
同様の理由により、カソード層１２０は、導電性のある透明な物質であるＩＴＯ（インジウム−錫酸化物）より構成されている。
本実施の形態の場合、ＩＴＯを、ガラス基板１２０上に所定の厚さ、例えば８００Å〜２,０００Åの厚さで蒸着した後、これを所定形状、例えば、ストライプ状にパターニングする。
ここで、カソード層１２０のパターニングは、フォトレジストの塗布、露光、現像によるエッチングマスクの形成、そしてこのエッチングマスクを利用したカソード層１２０のエッチングといって工程を含んで構成される従来公知の物質層のパターニング方法に従って行われる。

次に、図７Ｂに示されたように、カソード層１２０の全表面に第１絶縁層１３１を所定の厚さで形成する。
第１絶縁層１３１を厚膜工程によって形成する場合には、ペースト状の絶縁物質をスクリーン印刷技術を利用して所定の厚さで塗布した後に、約５５０(Ｃ以上の温度で処理して、絶縁物質を流動化（塑性化）させて約１０(ｍ〜１２(ｍ程度の厚さの第１絶縁層１３１を形成する。この流動化（塑性化）させる温度は、絶縁物質の種類によって異なるものである。
一方、第１絶縁層１３１を薄膜工程によって形成する場合には、シリコン酸化膜のような絶縁膜を、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法を利用して、約１(ｍ〜１.５(ｍ程度の厚さで蒸着することによって第１絶縁層１３１を形成する。

次いで、第１絶縁層１３１上に第１ゲート層１４０を形成する。第１ゲート層１４０は、クロム（Ｃｒ）のような導電性金属を、スパッタリングによって約２,５００Å〜３,０００Å程度の厚さで蒸着した後、これを所定形状にパターニングすることによって形成される。
この際、第１ゲート層１４０に、所定の直径を有する第１ゲートホール１４０ａを形成する。
第１ゲートホール１４０ａは、後述するキャビティ（図７Ｄの１７０）よりも大きい直径を有するように、キャビティ１７０が形成される位置に対応させて形成される。
ここで、第１ゲートホール１４０ａの直径は、第１絶縁層１３１が厚膜工程によって形成された場合には、約３０(ｍ〜４０(ｍ程度に設定することができ、第１絶縁層１３１が薄膜工程によって形成された場合には約５(ｍ〜１０(ｍ程度に設定することができる。
このような第１ゲート層１４０のパターニングは、前述の物質層のパターニング方法を利用して行われる。

図７Ｃは、第１絶縁層１３１と第１ゲート層１４０の上に第２絶縁層１３２と第２ゲート層１６０とを順次積層した状態を示す図面である。
第２絶縁層１３２は、第１絶縁層１３１の形成方法と同じ方法で形成することができる。但し、第２絶縁層１３２が厚膜工程によって形成される場合には、約３０(ｍ〜４０(ｍ程度の厚さを有するように形成され、第２絶縁層１３２が薄膜工程によって形成される場合には約１(ｍ〜１.５(ｍ程度の厚さを有するように形成される。

次いで、第２絶縁層１３２上に第２ゲート層１６０を形成する。具体的には、第２絶縁層１３２上に、クロム（Ｃｒ）のような導電性金属をスパッタリングによって約２,５００Å〜３,０００Å程度の厚さで蒸着して第２ゲート層１６０を形成する。
次に、第２ゲート層１６０のパターニングにより、後述するキャビティ（図７Ｄの１７０）キャビティ１７０と同じ直径を有するように、キャビティ１７０が形成される位置に対応させて、第２ゲートホール１６０ａが形成される。
例えば、第２ゲートホール１６０ａの直径は、第１及び第２絶縁層１３１、１３２が厚膜工程によって形成された場合には約２５(ｍ〜３０(ｍ程度であり、第１及び第２絶縁層１３１、１３２が薄膜工程によって形成された場合には約３(ｍ〜５(ｍ程度である。このような第２ゲート層１６０のパターニングも前述した物質層のパターニング方法によって行われる。

次に、図７Ｄに示されたように、第２ゲート層１６０の第２ゲートホール１６０ａ内に露出する第２絶縁層１３２とその下側に位置する第１絶縁層１３１とを、カソード層１２０が露出するまで、ドライエッチング又はウェットエッチング法により、エッチングしてキャビティ１７０を形成する。
この時、第２ゲート層１６０はエッチングマスクとして利用されるので、前記キャビティ１７０は、第２ゲートホール１６０ａと同じ直径を有するように設定されている。したがって、キャビティ１７０より大きい直径の第１ゲートホール１４０ａを有する第１ゲート層１４０は、エッチングにより形成されるキャビティ１７０の内周面に露出することがない。すなわち、第１絶縁層１３１と第２絶縁層１３２とにより、第１ゲート層１４０は、キャビティ１７０内に露出することなく、完全に遮断された状態で設けられることになる。

次に、図７Ｅに示されたように、第２ゲート層１６０を所定の電極パターンでパターニングする。この際、第２ゲートホール１６０ａの直径を、キャビティ１７０の直径より大きく、望ましくは、第１ゲートホール１４０ａの直径と同一になるように広げることも可能である。

次の段階は、図７Ｆないし図７Ｈに示されたように、キャビティ１７０内部に電界放出源１９０としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）エミッタを形成する段階である。

まず、図７Ｆに示すように、図７Ｅの結果物の全表面にフォトレジストＰＲを塗布した後、パターニングによりキャビティ１７０の底面に位置するフォトレジストＰＲを除去し、カソード層１２０の一部をキャビティ１７０の底面に露出させる。

次いで、図７Ｇに示すように、感光性を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ペースト１９１、すなわちペースト状のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）をスクリーン印刷技術を利用して、図７Ｆに示す結果物の全面に塗布する。そして、基板１１０の後面側から紫外線ＵＶを照射して、ＣＮＴペースト１９１を選択的に露光する。この時、ＣＮＴペースト中のフォトレジストＰＲのパターンに応じて露出された部位のみ露光されて硬化される。そして、露光量を制御すれば、ＣＮＴペースト１９１の露光深さが調節できる。

次に、図７Ｈに示すように、アセトンなどの現像剤を使用してフォトレジストＰＲを除去すると、フォトレジストＰＲと露光されていないＣＮＴペースト１９１とが共に除去される。その結果、ＣＮＴペーストのうちの露光された部分のみが残り、ＣＮＴエミッタ１９０を形成する。
次いで、所定温度、例えば、約４６０℃程度、の温度で流動化（塑性化）処理を行うことにより、ＣＮＴエミッタ１９０は、流動化（塑性化）と同時に収縮して、所望の高さを有するようになる。この流動化（塑性化）させる温度は、ＣＮＴペーストの種類や、これを構成する成分によって異なるものである。
本実施の形態の場合、第１及び第２絶縁層１３１、１３２が厚膜工程によって形成された場合には、ＣＮＴエミッタ１９０の高さは、約２(ｍ〜４(ｍ程度であり、第１及び第２絶縁層１３１、１３２が薄膜工程によって形成された場合には、ＣＮＴエミッタ１９０の高さは、約０.５(ｍ〜１(ｍ程度である。

これより、図７Ｈに示すような、二重ゲート構造を有し、第１ゲート層１４０が絶縁層１３１、１３２内部に形成された本発明に係る電界放出素子が完成することになる。
本発明は開示された実施例を参照して説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者であれば、これより多様な変形及び均等な他の実施例が可能である。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によって定められねばならない。

本発明は、その内部での電気的短絡現象が防止されて寿命が向上した二重ゲート構造を有する電界放出素子と、厚膜工程及び薄膜工程による電界放出素子の製造に適用することができる。

従来の電界放出素子の一例を示す断面図である。 従来の電界放出素子の他の例を示す断面図である。 図１に示された構造を有する従来の電界放出素子における電子ビームの放出に対するシミュレーション結果を示す図である。 本発明の望ましい実施例による電界放出素子の構造を示す断面図である。 図４に示された電界放出素子の断面を撮ったＳＥＭ写真である。 図４に示された本発明による電界放出素子における電子ビーム放出に対するシミュレーション結果を示す図である。 図７Ａは、基板１１０上にカソード層１２０を形成した状態を示した図面である。 図７Ｂは、カソード層１２０上に、第１絶縁層１３１と第１ゲート層１４０とを形成した状態を示す図である。 図７Ｃは、第１絶縁層１３１と第１ゲート層１４０上に第２絶縁層１３２と第２ゲート層１６０とを順次積層した状態を示す図面である。 図７Ｄは、キャビティ１７０が形成された状態を示す図面である。 図７Ｅは、第２ゲート層の一部が除去された状態を示す図面である 図７Ｆ、キャビティの内部に、電界放出源１９０としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）エミッタを形成する段階を説明する説明図である。 図７Ｇ、キャビティの内部に、電界放出源１９０としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）エミッタを形成する段階を説明する説明図である。 図７Ｈ、キャビティの内部に、電界放出源１９０としてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）エミッタを形成する段階を説明する説明図である。

符号の説明

１１０ 基板
１２０ カソード層
１３０ ゲート絶縁層
１４０ 第１ゲート層
１４０ａ 第１ゲートホール
１６０ 第２ゲート層
１６０ａ 第２ゲートホール
１７０ キャビティ
１９０ 電界放出源

Claims (16)

1. 基板と、
   前記基板の上に形成されるカソード層と、
   前記カソード層の上に形成されており、前記カソード層の一部を露出させるキャビティを有するゲート絶縁層と、
   前記キャビティの底部において露出する前記カソード層の上に備えられる電界放出源と、
   前記ゲート絶縁層内部に設けられた第１ゲート層と、
   前記ゲート絶縁層上に形成されており、前記キャビティに対応する部分に第２ゲートホールが形成された第２ゲート層とを備え、
   前記第１ゲート層には、前記キャビティの直径よりも大きな直径を有する第１ゲートホールが設けられていることを特徴とする電界放出素子。
2. 前記ゲート絶縁層は、第１絶縁層と第２絶縁層とより構成されており、前記第１ゲート層は、前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子。
3. 前記第２ゲートホールの直径は、前記キャビティの直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子。
4. 前記第２ゲートホールの直径は、前記第１ゲートホールの直径と略同一であることを特徴とする請求項３に記載の電界放出素子。
5. 前記電界放出源は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）であることを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子。
6. 透明な基板の上に透明なカソード層を形成するａ段階と、
   前記透明なカソード層の上に、第１絶縁層を形成するｂ段階と、
   前記第１絶縁層の上に、第１ゲートホールを有する第１ゲート層を形成するｃ段階と、
   前記第１ゲート層と前記ゲートホールの内側で露出する前記第１絶縁層との上に、第２絶縁層を形成するｄ段階と、
   前記第２絶縁層の上に、前記第１ゲートホールより小さい直径の第２ゲートホールを有する第２ゲート層を形成するｅ段階と、
   前記第２ゲートホールの内側で露出する前記第２絶縁層と、前記第１絶縁層の前記第２ゲートホールの下側に位置する部分とをエッチングして、前記カソード層の一部を露出させるキャビティを形成するｆ段階と、
   前記第２ゲート層を所定形状でパターニングするｇ段階と、
   前記キャビティの底に露出された前記カソード層上に電界放出源を形成するｈ段階と
   を備えることを特徴とする電界放出素子の製造方法。
7. 前記ａ段階は、前記透明な基板の上に、ＩＴＯ物質層を形成した後、これをストライプ状でパターニングすることによって前記カソード層を形成することを特徴とする請求項６に記載の電界放出素子の製造方法。
8. 前記第１絶縁層と第２絶縁層とは、ペースト状の絶縁物質をスクリーン印刷技術を利用して塗布した後に、これを塑性化することによって形成されることを特徴とする請求項６に記載の電界放出素子の製造方法。
9. 前記第１絶縁層と第２絶縁層とは、化学気相蒸着法によって形成されることを特徴とする請求項６に記載の電界放出素子の製造方法。
10. 前記ｃ段階は、
    前記第１絶縁層の上に、導電性金属物質を蒸着して蒸着膜を形成する段階と、
    パターニング処理により、前記キャビティの直径よりも大きい直径を有する第１ゲートホールを前記蒸着膜に形成する段階とを含むことを特徴とする請求項６に記載の電界放出素子の製造方法。
11. 前記ｅ段階は、
    前記第２絶縁層の上に、導電性金属物質を蒸着して蒸着膜を形成する段階と、
    前記蒸着膜に、前記キャビティと同じ直径の第２ゲートホールを形成する段階とを含むことを特徴とする請求項６に記載の電界放出素子の製造方法。
12. 前記導電性金属物質の蒸着は、スパッタリングによって行われることを特徴とする請求項１０または１１に記載の電界放出素子の製造方法。
13. 前記ｆ段階は、前記第２ゲート層をエッチングマスクとして利用して、前記第２絶縁層と、前記第１絶縁層の前記第２ゲートホールの下側に位置する部分とをエッチングすることによって、前記第２ゲートホールと実質的に同じ直径を有する前記キャビティを形成することを特徴とする請求項６に記載の電界放出素子の製造方法。
14. 前記ｇ段階では、前記第２ゲートホールを、前記キャビティの直径よりも大きい直径に拡大することを特徴とする請求項６に記載の電界放出素子の製造方法。
15. 前記第２ゲートホールの直径は、前記第１ゲートホールの直径と実質的に同一になるように拡大されることを特徴とする請求項１４に記載の電界放出素子の製造方法。
16. 前記ｈ段階は、
    前記基板の全面にフォトレジストを塗布した後、これをパターニングして前記キャビティの底面に、前記カソード層の一部を露出させる段階と、
    前記フォトレジストが塗布された前記基板の全面に、感光性を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ペーストを塗布する段階と、
    前記基板の後面側から紫外線を照射して、前記カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ペーストを選択的に露光する段階と、
    現像剤を使用して、前記フォトレジストと共に、前記カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ペーストのうち、露光されていない部分を除去する段階と、
    残存するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ペーストを塑性化して、電界放出源であるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）エミッタを形成する段階と
    を含むことを特徴とする請求項６に記載の電界放出素子の製造方法。